長江荊江段河道崩岸預警系統設計初探

李圣偉

摘要：多年來，荊江河段崩岸頻繁，給長江保護與治理帶來了不利影響，為此開展荊江河段河道崩岸預警十分必要和迫切。結合河道及水文泥沙信息系統開發實踐，研究了河道崩岸預警系統的總體框架、系統結構、數據庫設計、數據分析處理及入庫和功能設計，探討建立荊江河段河道崩岸預警系統，以提供崩岸數據采集、管理、分析、預警、表現、發布等多元化信息服務，為崩岸預警和應急搶險提供技術支持，從而為荊江河段的科學治理提供決策依據。

關鍵詞：河道崩岸;預警系統;水文泥沙;信息系統;荊江河段

中圖法分類號：TV85

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.013

崩岸是存在于江河海岸中的一種自然現象，歐美河流歷史上曾發生過多次崩岸，我國大江大河也存在崩岸現象[1]，尤其是汛期和汛后，以長江中下游河段最為典型[2]。河道崩岸會破壞岸坡穩定，威脅防洪工程安全，影響河勢穩定，阻礙岸線開發利用，不利于維持良好的航道條件，對充分發揮河流綜合服務功能造成不利影響。崩岸受水動力條件、泥沙輸移條件、河床邊界條件以及河道形態等多種因素影響，其成因和機理十分復雜這[3-5]。多年來，荊江河段崩岸頻繁，影響荊江防洪與河勢穩定，給長江航運、兩岸經濟建設和人民生命財產安全帶來嚴重威脅[6]。

為確保荊江大堤和長江干堤的安全，服務荊江防洪、河道整治、航道整治和地方經濟建設，保障長江經濟帶發展的水安全，建立河道崩岸預警系統具有重要的現實意義。目前，河道崩岸預警尚處于起步階段，沒有成熟的崩岸預警信息系統。本文結合河道及水文泥沙信息系統開發實踐，基于數據庫技術、網絡技術和地理信息系統技術，通過對崩岸綜合監測數據的采集、存儲、管理和分析，結合理論分析，綜合現場監測、崩岸巡查和遠程視頻監控，分析崩岸發生的機理及初步演變規律，構建崩岸預測模型，探討建立崩岸數據采集、管理、分析、預警、表現、發布為一體的人機交互式的荊江河段河道崩岸預警系統。

1 系統總體設計

人機交互式的河道崩岸預警系統框架見圖1。主要包括：

（1）收集整理崩岸的水流條件、河流邊界、河床組成、地下水及滲流、環境要素及人類活動調查資料，將數據整理成規范格式，遙測和實時監測設備的監測數據則通過數據處理終端接人系統提供的入庫接口。

（2）利用綜合監測成果，結合理論分析荊江段河岸土體的組成與力學特性，開展崩岸機理的定量分析，研究崩岸發生的機理及演變規律，建立崩岸預測模型，對崩岸發生的時間、形式、范圍進行初步預測預警。

（3）應用系統開發。按照軟件工程的要求，將整個系統的開發過程分為需求分析、系統設計、系統編碼和測試、系統運行和維護4個階段進行。

（4）完成系統集成，將硬件平臺、網絡設備、操作系統和開發的應用軟件，集成為功能和信息相互關聯、統一和協調的系統之中，使資源達到充分共享，實現集中、高效、便利的管理，并部署安裝，進行系統運行。

系統收集、整理、存儲、管理相關崩岸監測數據，并提供崩岸信息的多條件多組合查詢，在分析水文泥沙和河道演變、岸坡變形崩岸等基礎上，利用崩岸預測預報模型，結合現場監測、巡查、遠程監測和視頻監控情況，以人機交互的方式，對崩岸發生的時間、形式、范圍進行初步預測預報，并提供崩岸段不同時期地形變化的直觀、逼真的三維成果，提供基于互聯網的各種崩岸監測信息、信息分析成果和預警成果的查詢及發布。系統總體上分為5個子系統：數據庫管理子系統、信息查詢子系統、崩岸分析預警子系統、三維可視化子系統和崩岸信息服務子系統，見圖2。

2 數據庫設計與數據處理

2.1 數據庫設計

系統數據庫由空間數據庫、業務數據庫和崩岸模型庫組成。

按照業務數據實際需求，以現有崩岸相關資料為依據進行整理入庫和實時入庫;空間數據中矢量數據采取分幅和分要素組織的混合形式，將數據分為不同的要素圖層分幅，并存儲在系統空間數據庫中，DEM和影像數據則按照測量項目的不同，分批次分塊組織存儲;崩岸模型庫管理組織崩岸預警的數學模型和相關參數、預測岸坡的穩定系數和分級評價指標，以二維表的形式物理存儲在數據庫中。

2.2 數據分析

系統數據按更新頻率高低可劃分為：①實時監測數據，如實時雨情數據、現場預埋的安全監測傳感器數據和攝像頭等遠程在線監測數據等，其更新頻率可為數天、數小時、數分鐘或數秒。②歷史監測成果，包括水文整編資料、河道地形數據、河床組成等，其更新頻率不等。水文整編資料數據一般按年整編，主要由相關水文部門負責整編。長江中下游長程河道地形5a測一次，局部重點河段la數次，河道應急測量時數天就測量一次，河道斷面數據la更新數次，河道地形及斷面數據主要由長江水利委員會水文局下屬河道勘測局測量。其他數據更新頻率一般為數月或數年。③基礎地理數據、檔案數據和模型數據等其他數據。基礎地理數據主要有衛星遙感獲取的影像數據或地理信息系統生成的基礎地理信息，如行政邊界、流域邊界、河流等矢量數據或生成的DEM數據等，更新頻率一般為數月或數年。檔案數據和模型數據的更新頻率一般為數月或數年。

按數據的內容可劃分為來水來沙條件數據、河道邊界條件數據、河床組成數據，地下水及滲流數據、環境要素數據以及人類活動調查數據等。

按數據屬性可分為屬性數據和空間數據：①屬性數據，主要是按關系型數據庫表結構格式存儲的數據，如斷面實測數據、水位、流量、降水、含沙量、波浪、風速風向、河床組成、地下水位、滲流（壓）、孔隙水壓力、岸邊植被狀況、視頻、照片以及崩岸巡查報告和人類活動調查報告等分析報告。②空間數據，包括矢量型和光柵型兩類。前者是指以矢量格式儲存的地形圖，如水下地形圖、流態圖等;后者是指以光柵格式儲存的各種圖形，例如遙感圖像、DEM等。

系統主要數據分類見圖3。

2.3 數據處理

對于數據庫格式的屬性數據，開展數據庫檢查（檢查數據的完整性和正確性，包括數據格式檢查，數據長度檢查，空值、默認值檢查，完整性檢查，一致性檢查等），數據補錄（對缺失的信息進行數據補錄與整合）等工作，對泥沙資料單位不一致的數據統一轉換到國際標準單位并進行數據轉換。同時，做好數據庫遷移前的準備（建立字段對應關系、數據字典整理、數據質量分析、數據差異分析、數據之間的映射關系建立等）。對于報表、報告圖表等非數據庫格式的屬性數據，通過手工處理、臨時編程、編寫宏等各種手段，從成果文檔中提取出來，最后整理成規范的入庫文檔。

崩岸河段空間數據中柵格數據中的影像數據通過幾何校正、勻光與拼接、配準、投影等處理后，建立影像金字塔，DEM數據經過處理后分塊組織;通過掃描矢量化等手段，首先將半江地形和河道地形等矢量圖件處理為電子矢量圖，再對電子矢量圖進行質量檢查，最后對電子矢量圖進行標準化處理，轉換為統一的數據格式。

2.4 數據入庫

利用工具將數據庫格式的數據導人后臺數據庫。對于整理好的入庫文件，則通過開發應用提供的入庫接口實現。在入庫過程中，提供必要的驗證，以此來保證人庫數據質量。所有條件均符合要求才可入庫，有一項不符立即撤銷入庫操作。

崩岸河段空間數據利用系統提供的接口進行入庫存儲。根據矢量數據測量批次，一方面利用半江地形或河道地形數據中的實測點以及等高線（首曲線、計曲線）的高程數據和邊界線，生成DEM并存人空間數據庫中，并記錄DEM的元數據信息;另一方面，將原始矢量數據入庫，并記錄這些要素的元數據信息。柵格數據處理完后，作為系統底圖的柵格數據以文件庫的形式存放在服務器上，而作為分析計算的柵格數據則入庫存儲。數據處理與入庫見圖4。

3 系統功能設計

3.1 功能概述

系統統一管理荊江河段河道崩岸相關數據，實現相關數據的查詢、瀏覽、分析及初步預測預報。根據危險等級報警提示，提供快捷直觀的三維展示平臺，并附以重點崩岸河段信息發布和查詢等功能。系統主要服務對象為長江流域相關防汛、水文部門、相關其他部門以及社會公眾，根據不同的用戶權限，開展授權范圍內的信息服務。

3.2 數據庫管理子系統

數據庫管理子系統是系統的支撐，對崩岸相關信息進行統一、安全、有效地管理和保存。除數據管理外，還對各級用戶進行分級及操作權限管理，確保數據的安全;提供備份管理，以避免系統的軟硬件故障，并在操作失誤造成破壞時能實現數據庫恢復;對服務器端進行日志管理。該子系統—般不對外開放，僅供授權的系統管理員和數據維護人員使用。

3.3 信息查詢子系統

主要對河道崩岸數據信息實現單條件、單組合和多條件、多組合等方式的任意查詢。提供友好的圖文一體化查詢界面，實現查詢結果的圖文一體化表達，可完成空間圖形與屬性數據實時聯動查詢，以及從空間圖形到屬性、屬性到空間圖形的雙向查詢功能。在圖上點擊重點崩岸段時，可顯示該崩岸段中歷史崩岸的相關位置、地點、時間、類型、規模等信息，來水來沙條件、河床邊界條件、環境要素、地下水、人類活動調查、相關文檔及有關圖片、錄像等多媒體信息，并可展示相關遠程視頻監控。

利用多種可視化方式實現崩岸影響因子數據的空間、屬性信息聯合查詢，以及查詢信息和各類成果的報表和輸出。根據授權為長江流域相關防汛、水文部門、相關其他部門提供崩岸數據支持，可為各級用戶開展水文泥沙、河道演變分析、數學模型計算、崩岸機理分析研究和預警提供基礎和分析成果信息。

3.4 崩岸預警子系統

實現基于實測監測數據的來水來沙相關水文計算，進行崩岸段相關水沙過程、水沙沿程變化、水沙年內年際變化、水沙綜合關系、河床組成等分析，并根據實測河道地形、斷面監測數據、岸坡監測數據開展河道演變分析和岸坡變形分析。在此基礎上，結合河道崩岸的基本原理，通過研究建立河道崩岸預警模型，根據一定的水沙條件、河道演變以及環境要素、地下水等因子，初步預測預報崩岸發生的時間、形式、范圍等。根據預警的危險等級，在系統界面上以動態閃爍報警提示崩岸所在位置及相關信息。根據授權，可為長江流域相關防汛、水文部門提供決策支持依據。

3.5 三維可視化子系統

為河道崩岸預警系統的分析、管理、預警提供最直觀的數據分析和結果展示，為綜合分析提供快捷直觀的三維展示平臺。同時，也為各級領導決策提供輔助工具。生成崩岸段不同時期的地形三維數據，展示重點崩岸段岸坡三維地形，根據不同時間的岸坡地形，仿真模擬位移過程，具備基于三維數據的幾何分析功能，包括量測、斷面剖面分析、透視分析及開挖分析等，直觀地計算崩岸段河道幾何形狀數據，以便于河道演變和岸坡位移的分析。可實現多要素合成三維建模，以及基于數字高程模型的多種地圖要素（主要水系、等高線、城鎮名稱標注、水文測站標注、斷面標注、重點崩岸段及標注）合成三維建模功能。根據授權可為各級用戶提供直觀的三維信息服務。

3.6 崩岸信息服務子系統

執行重點崩岸河段信息發布和查詢以及網頁管理功能，在網絡上展現歷史崩岸的有關位置、地點、時間等屬性及信息通報文檔和現場照片、錄像等多媒體信息。實現可公布的監測信息、分析和預警成果的可視化分析和表達，根據不同權限提供各種用戶網絡查詢和訪問頁面，并提供文檔資料管理和用戶管理等方面的功能。根據授權可為各級用戶提供直觀的崩岸信息服務。

4 結語

本文探討了荊江河段崩岸預警系統設計的相關內容，旨在建立河道崩岸預警系統，綜合系統地采集、管理相關崩岸影響因素數據，提供崩岸數據查詢、分析、預警、表現、發布的多元化服務，為長江經濟帶發展提供水安全保障。

崩岸影響因素眾多，對崩岸的具體成因及發展模式尚不完全清楚，亟待深入研究[6]。今后還需要加強重點崩岸段的斷面和地形測量、水文測驗、岸坡土體特性分析，探索開展預埋安全監測傳感器和攝像頭等遠程在線監視工作。另外，也需要逐步建立完善的預警評價指標體系，不斷完善河道崩岸預警模型，進一步提高崩岸預測的精確性和實效性。

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